EP4652308A1 - Optimisation optique pour un reacteur photoelectrochimique - Google Patents

Optimisation optique pour un reacteur photoelectrochimique

Info

Publication number
EP4652308A1
EP4652308A1 EP24700963.2A EP24700963A EP4652308A1 EP 4652308 A1 EP4652308 A1 EP 4652308A1 EP 24700963 A EP24700963 A EP 24700963A EP 4652308 A1 EP4652308 A1 EP 4652308A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solar radiation
installation according
reflectors
photoanode
photocathode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700963.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Estelle LE BARON
Nathalie Dupassieux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4652308A1 publication Critical patent/EP4652308A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/052—Electrodes comprising one or more electrocatalytic coatings on a substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/077—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/077—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide
    • C25B11/0771—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide of the spinel type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/077—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide
    • C25B11/0773—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound the compound being a non-noble metal oxide of the perovskite type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
    • C25B11/087—Photocatalytic compound
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/21—Photoelectrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20—Processes
    • C25B3/25—Reduction
    • C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/50—Cells or assemblies of cells comprising photoelectrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/061—Metal or alloy

Definitions

  • the invention relates to the technical field of photoelectrochemical reactors.
  • the invention finds its application in particular in the dissociation of water (“water splitting” in English) for the production of dihydrogen H 2 , the production of solar fuels from water H 2 O and carbon dioxide CO 2 .
  • a photoelectrochemical cell known from the state of the art, in particular from document EP 2 737 941 Al, comprises a photoanode and a photocathode, sensitive to solar radiation.
  • the photoanode comprises a photocatalytic layer made of titanium dioxide TiO 2
  • the photocathode comprises a photocatalytic layer made of copper oxide Cu 2 O.
  • Such a photoelectrochemical cell of the state of the art is not entirely satisfactory in terms of efficiency (or yield) to the extent that the titanium dioxide TiO 2 absorbs in the ultraviolet (wavelength less than 400 nm ) and that ultraviolet radiation only represents about 3% of the sun's electromagnetic energy.
  • infrared radiation represents the majority (around 45%) of the electromagnetic energy of the sun, and leads to a massive transfer of heat to the photoelectrochemical cell which is likely to degrade over time.
  • the invention aims to remedy all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to an installation, comprising:
  • a solar photoelectrochemical reactor comprising: a photoanode and a photocathode, sensitive to solar radiation; first and second walls, transparent to solar radiation, facing the photoanode and the photocathode respectively;
  • an optical system arranged outside the solar photoelectrochemical reactor, and comprising first and second reflectors, designed to respectively reflect: a first spectral domain of incident solar radiation towards the first wall, a second spectral domain of incident solar radiation, different from the first spectral domain, towards the second wall.
  • such an installation according to the invention makes it possible to differentiate between the solar radiation received by the photoanode and the solar radiation received by the photocathode, thanks to an optical system arranged outside the photoelectrochemical reactor.
  • the solar radiation received by the photoanode was spectrally filtered by the first reflector while the solar radiation received by the photocathode was spectrally filtered by the second reflector.
  • This differentiated spectral filtering for the photoanode and for the photocathode makes it possible to envisage an increase in the efficiency of the photoelectrochemical reactor by adjusting the first and second spectral domains respectively to the nature of the photoanode and the photocathode.
  • This differentiated spectral filtering makes it possible to overcome the complex solutions of the state of the art to modify the materials of the photoanode and the photocathode.
  • this differentiated spectral filtering makes it possible to consider limiting the infrared radiation received by the photoanode, which makes it possible to significantly reduce the heat transfer in the photoelectrochemical reactor, with an improvement in its lifespan (less degradation of materials) .
  • this differentiated spectral filtering makes it possible to consider limiting the ultraviolet radiation received by the photocathode, which also makes it possible to improve the lifespan of the photoelectrochemical reactor (less degradation of materials).
  • the installation according to the invention may include one or more of the following characteristics.
  • the first and second reflectors are designed to respectively reflect the first and second spectral domains according to respectively first and second different light intensities.
  • an advantage provided is to be able to modulate the power of the radiation received by the photoanode and by the photocathode.
  • This differentiation of light intensities makes it possible in particular to consider increasing the first light intensity in the ultraviolet to increase the efficiency of the photoanode, and reduce the second light intensity in the infrared to reduce heat transfer to the photocathode.
  • the photoanode comprises a photocatalytic layer made of a first semiconductor material having a bandgap energy, denoted Egi;
  • the first reflector is designed to filter all or part of the wavelengths, denoted Xi, of the incident solar radiation verifying ⁇ x where "h” is Planck's constant and “c” is the speed of light in a vacuum.
  • an advantage provided is to increase the efficiency and durability of the photoelectrochemical reactor by deviating from the photoanode or by removing all or part of the solar spectrum whose energy does not allow the photoanode to generate electron-hole pairs.
  • the first semiconductor material is chosen from titanium dioxide TiO 2 , bismuth vanadate BiVO i, zinc oxide ZnO, tin dioxide SnO 2, tungsten trioxide WO 3 , ferric oxide Fe 2 O 3 .
  • an advantage provided by these “n” type materials is due to their physicochemical properties stable over time to efficiently generate electron-hole pairs, separate them (i.e. avoid their recombination) and transport them, as well as their quality. adsorption of reagents.
  • the second reflector is designed to filter wavelengths, denoted X 2 , of the incident solar radiation verifying ⁇ 2 ⁇ 400 nm.
  • an advantage provided is to be able to deviate towards the photoanode or eliminate ultraviolet radiation, which is too energetic for the strict needs of photo-excitation of the photocathode, and which leads to degradation of the photoelectrochemical reactor in the long term.
  • the photocathode comprises a photocatalytic layer made of a second semiconductor material having a bandgap energy, denoted Eg 2 ;
  • the second reflector is designed to filter all or part of the wavelengths, denoted X 2 , of the incident solar radiation verifying ⁇ 2 > - where "h” is Planck's constant and "c” is the speed of light in the void.
  • an advantage provided is to increase the efficiency of the photoelectrochemical reactor by removing all or part of the solar spectrum whose energy does not allow the photocathode to generate electron-hole pairs.
  • the second semiconductor material is chosen from copper oxide Cu 2 O, a perovskite, a delafossite, a spinel, silicon, boron arsenide BAs, tungsten selenide WSe 2 , zinc sulfide ZnS, indium phosphide InP, gallium-indium phosphide GaInP 2 .
  • an advantage provided by these “p” type materials is due to their physicochemical properties stable over time to efficiently generate electron-hole pairs, separate them (i.e. avoid their recombination) and transport them, as well as their quality. adsorption of reagents.
  • each of the first and second reflectors comprises at least one mirror chosen from a plane mirror, a parabolic mirror, a cylindrical-parabolic mirror.
  • the first and second reflectors respectively comprise first and second coatings adapted to reflect the first and second spectral domains respectively.
  • an advantage provided is the ease of implementation to obtain the desired first and second spectral domains.
  • the installation comprises movement means, configured to move the first and second reflectors according to the incident solar radiation so that the first and second reflectors respectively reflect the first and second spectral domains respectively towards the first and second walls.
  • an advantage provided is to optimize the intensity of the radiation reflected by the first and second reflectors towards the first and second walls respectively as a function of the position of the sun.
  • reactor we mean an enclosure intended to receive a reaction volume.
  • photoelectrochemical we mean the use of light and chemical reactions to produce electricity.
  • photoanode we mean an electrode sensitive to light, and where an electrochemical oxidation reaction takes place.
  • photocathode we mean an electrode sensitive to light, and where an electrochemical reduction reaction takes place.
  • first (or second) spectral domain we mean a restriction of the solar spectrum in terms of wavelengths reflected by the corresponding reflector.
  • photocatalytic layer we mean a layer capable of generating at least one electron-hole pair when the layer is subjected to photo-excitation (with sufficient energy), and where a redox reaction can take place on the surface of the layer.
  • the photocatalytic layer can be continuous, or discontinuous when the photocatalyst (i.e. the material of the photocatalytic layer) is in suspension, that is to say dispersed into fine particles inside the reaction volume.
  • filter we mean that the reflector is designed to:
  • perovskite we mean calcium titanate CaTiO 3 , as well as all compounds with the chemical formula ABO 3 having the same crystal structure.
  • Figure 1 is a schematic view in longitudinal section of a photoelectrochemical reactor which can equip an installation according to the invention, illustrating a application for producing a fuel (eg methanol CH 3 OH) from a reduction of carbon dioxide CO2.
  • a fuel eg methanol CH 3 OH
  • Figure 2 is a band diagram of a photoelectrochemical cell, the photoanode and the photocathode each comprise a photocatalytic layer made of a semiconductor material.
  • Figure 3 is a schematic side view of an installation according to the invention, illustrating a first arrangement of the first and second reflectors of the optical system.
  • Figure 4 is a schematic side view of an installation according to the invention, illustrating a second arrangement of the first and second reflectors of the optical system.
  • Figure 5 is a schematic side view of an installation according to the invention, illustrating an embodiment of the first and second reflectors of the optical system, where each of the first and second reflectors comprises a plurality of mirrors.
  • An object of the invention is an installation, comprising:
  • a solar photoelectrochemical reactor 1 comprising: a photoanode PA and a photocathode PC, sensitive to solar radiation RS; first and second walls Pl, P2, transparent to solar radiation RS, facing respectively the PA photoanode and the PC photocathode;
  • an optical system arranged outside the solar photoelectrochemical reactor 1, and comprising first and second reflectors RI, R2, designed to respectively reflect: a first spectral domain of solar radiation RS incident towards the first wall PI, a second spectral domain incident solar radiation RS, different from the first spectral domain, towards the second wall P2.
  • the solar photoelectrochemical reactor 1 may have a cross section of circular, square, rectangular, or triangular shape.
  • the solar photoelectrochemical reactor 1 is preferably of the tubular type.
  • the solar photoelectrochemical reactor 1 comprises first and second walls PI, P2 transparent to solar radiation RS, and facing respectively the photoanode PA and the photocathode PC.
  • the first and second walls Pl, P2 will be called “frontal”.
  • the solar photoelectrochemical reactor 1 comprises an enclosure Pl, P2, P intended to receive a reaction volume, and capable of delimiting an anode chamber and a cathode chamber.
  • the enclosure Pl, P2, P comprises the first and second frontal walls Pl, P2, and longitudinal walls P connecting the first and second frontal walls Pl, P2.
  • the longitudinal walls P are preferably opaque to solar radiation RS. However, the longitudinal walls P can be partly transparent to solar radiation RS.
  • the anode chamber is intended to receive a first electrolyte ELI while the cathode chamber is intended to receive a second electrolyte EL2.
  • the anode chamber and the cathode chamber are separated by a membrane 3.
  • the membrane 3 is advantageously an ion exchange membrane, adapted to diffuse certain ions produced by the photoelectrochemical reactor 1, for example H + ions.
  • membrane 3 can be made of nafion®.
  • the first electrolyte ELI and the second electrolyte EL2 can be in the liquid phase or in the gas phase.
  • the first electrolyte ELI can be a liquid phase of water H 2 O while the second electrolyte EL2 can be a gas phase of carbon dioxide CO 2 .
  • the first electrolyte ELI may be identical to the second electrolyte EL2, for example water H 2 O in the case of the production of dihydrogen H 2 .
  • the solar photoelectrochemical reactor 1 comprises a photoanode PA sensitive to solar radiation RS.
  • the PA photoanode advantageously comprises a photocatalytic layer 10 made from a first semiconductor SCI material having a bandgap energy, denoted Egi.
  • the first SCI semiconductor material is advantageously n-type, and chosen from titanium dioxide TiO 2 , bismuth vanadate BiVCh, zinc oxide ZnO, tin dioxide SnO 2 , tungsten trioxide WO3, oxide ferric Fe 2 O 3 .
  • the photoanode PA may comprise an electrode E covered with the photocatalytic layer 10.
  • the electrode E may be made of an electrically conductive material, such as a metallic material (eg Ag, Al ).
  • the photocatalytic layer 10 may be discontinuous.
  • the photocatalytic layer 10 of the photoanode PA can be in suspension, that is to say dispersed in fine particles inside the reaction volume, in order to improve the mass transfer at the interface between the first ELI electrolyte and the first SCI semiconductor material.
  • the photoanode PA can comprise an electrode E covered with a photovoltaic layer, that is to say a layer which can generate at least one electron-hole pair when the layer is subjected to photoexcitation.
  • a photovoltaic layer may include:
  • CIGS type photovoltaic cell copper, indium, gallium, selenium
  • CZTS type photovoltaic cell copper, zinc, tin, sulfur
  • the solar photoelectrochemical reactor 1 comprises a photocathode PC sensitive to solar radiation RS.
  • the photocathode PC advantageously comprises a photocatalytic layer 20 made of a second semiconductor material SC2 having a bandgap energy, denoted Eg 2 .
  • the electrode E may be made of an electrically conductive material, such as a metallic material (eg Ag, Al ).
  • the photocatalytic layer 20 may be discontinuous.
  • the photocatalytic layer 20 of the photocathode PC can be in suspension, that is to say dispersed into fine particles inside the reaction volume, in order to improve the mass transfer at the interface between the second electrolyte EL2 and the second semiconductor material SC2.
  • the photocathode PC can comprise an electrode E covered with a photovoltaic layer, that is to say a layer capable of generating at least one electron-hole pair when the layer is subjected to a photoexcitation.
  • a photovoltaic layer may include:
  • CIGS type photovoltaic cell copper, indium, gallium, selenium
  • CZTS type photovoltaic cell copper, zinc, tin, sulfur
  • the photoanode PA and the photocathode PC are advantageously connected by an external circuit where electrons c generated by the photoanode PA circulate.
  • the photons of solar radiation RS1 reflected by the first reflector RI are absorbed by the first semiconductor material SCI, and excite the electrons of its valence band BV1, which can then generate electron-hole pairs eVh + .
  • an electron e can cross the band gap Egi of the first semiconductor material SCI if the photons of solar radiation RS1 reflected by the first reflector RI are sufficiently energetic, then the electron e can then pass from the valence band BV1 to the conduction band BC1 of the first semiconductor material SCI.
  • An h + hole (ie an absence of electron or vacancy) is simultaneously created in the BV1 valence band.
  • the h + holes reach the surface of the photocatalytic layer 10 of the photoanode PA where they can react with the first electrolyte ELI.
  • the electrons e pass from the conduction band BC1 of the first semiconductor material SCI to the valence band BV2 of the second semiconductor material SC2 via the external circuit, thus creating a photocurrent.
  • the photons of solar radiation RS2 reflected by the second reflector R2 are absorbed by the second semiconductor material SC2, and excite the electrons of its valence band BV2, which can then generate electron-hole pairs eVh + .
  • an electron e can cross the forbidden band Eg 2 of the second semiconductor material SC2 if the photons of solar radiation RS2 reflected by the second reflector R2 are sufficiently energetic, then the electron e can then pass from the valence band BV2 to the conduction band BC2 of the second semiconductor material SC2.
  • the electrons e of the conduction band BC2 of the second semiconductor material SC2 reach the surface of the photocatalytic layer 20 of the photocathode PC where they can react with the second electrolyte EL2.
  • the optical system is arranged outside the solar photoelectrochemical reactor 1. In other words, the optical system is located outside the solar photoelectrochemical reactor 1.
  • the optical system comprises a first reflector RI designed to reflect a first spectral domain of incident solar radiation RS towards the first wall PL.
  • the first spectral domain is restrictive with respect to the entire solar spectrum.
  • the first reflector RI is advantageously arranged to reflect the first spectral domain of the incident solar radiation RS so that the reflected solar radiation RS1 by the first reflector RI extends in a direction parallel to the normal to the surface of the first wall PI of the photoelectrochemical reactor 1 .
  • Such an arrangement of the first reflector RI makes it possible to maximize the intensity of the radiation RS1 received by the photoanode PA, with a view to increasing the efficiency of the photoelectrochemical reactor 1.
  • the optical system comprises a second reflector R2 designed to reflect a second spectral domain of incident solar radiation RS towards the second wall P2.
  • the second spectral domain is different from the first spectral domain.
  • the second spectral domain is restrictive in relation to the entire solar spectrum.
  • the second reflector R2 is advantageously arranged to reflect the second spectral domain of the incident solar radiation RS so that the solar radiation reflected RS2 by the second reflector R2 extends in a direction parallel to the normal to the surface of the second wall P2 of the reactor 1 photoelectrochemical.
  • Such an arrangement of the second reflector R2 makes it possible to maximize the intensity of the radiation RS2 received by the photocathode PC, with a view to increasing the efficiency of the photoelectrochemical reactor 1.
  • the first and second reflectors RI, R2 are advantageously designed to respectively reflect the first and second spectral domains according to respectively first and second different light intensities.
  • the first and second reflectors RI, R2 may include:
  • the photoanode PA comprises a photocatalytic layer 10 made of a first semiconductor material SCI having a band gap energy, denoted Egi
  • the first reflector RI is advantageously designed to filter all or part of the wavelengths, denoted Xi, of the radiation solar RS incident checking At x > - where “h” is Planck's constant and “c” is the speed of light in a vacuum.
  • the first reflector RI then acts as a high-pass filter for the energy of the photons reflected by the first reflector RI (low-pass filter with respect to the wavelengths).
  • the second reflector R2 is advantageously designed to filter wavelengths, denoted 2, of the incident solar radiation RS verifying ⁇ 2 ⁇ 400 nm.
  • the second reflector R2 then acts as a low-pass filter for the energy of the photons reflected by the second reflector R2 (high-pass filter with respect to the wavelengths).
  • the photocathode PC comprises a photocatalytic layer 20 made of a second semiconductor material SC2 having a band gap energy, denoted Eg 2
  • the second reflector R2 is advantageously designed to filter all or part of the wavelengths, denoted X 2 , of incident solar radiation RS verifying ⁇ 2 > - where “h” is Planck's constant and “c” is the speed of light in a vacuum.
  • the second reflector R2 then acts as a high-pass filter for the energy of the photons reflected by the second reflector R2 (low-pass filter with respect to the wavelengths).
  • the second reflector R2 is designed to reflect (band-pass filter) the wavelengths of the incident solar radiation RS verifying: hc
  • the bandgap energy Eg 2 of the second semiconductor material SC2 is lower than the bandgap energy Egi of the first semiconductor material SCI, by hc _ so that — > 400 nm.
  • Each of the first and second reflectors RI, R2 advantageously comprises at least one mirror Ml, M2 chosen from a plane mirror, a parabolic mirror, a cylindrical-parabolic mirror.
  • the first and second reflectors RI, R2 respectively comprise first and second coatings adapted to reflect the first and second spectral domains respectively.
  • first and second coatings adapted to reflect the first and second spectral domains respectively.
  • UV mirrors which filter visible energy and infrared energy by transmission to the reflector (e.g. made of quartz glass – fused silica) or by absorption by the reflector (e.g. aluminum);
  • visible/infrared mirrors which filter ultraviolet energy by transmission to the reflector or by absorption by the reflector.
  • Such cold mirrors are for example marketed by the companies THORLABS, NTFL of Newportlab, KANEKA etc.
  • the first spectral domain is located in the ultraviolet while the second spectral domain is located in the infrared or in the visible.
  • the installation advantageously comprises movement means, configured to move the first and second reflectors RI, R2 according to the incident solar radiation RS of so that the first and second reflectors RI, R2 respectively reflect the first and second spectral domains respectively towards the first and second walls Pl, P2.
  • the movement means advantageously comprise a solar tracker T, configured to orient itself according to the position of the sun in the sky.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Installation, comportant : - un réacteur (1) photoélectrochimique solaire, comprenant : une photoanode (PA) et une photocathode (PC), sensibles à un rayonnement solaire (RS); des première et seconde parois (Pl, P2), transparentes au rayonnement solaire (RS), faisant face respectivement à la photoanode (PA) et à la photocathode (PC); - un système optique, agencé hors du réacteur (1) photoélectrochimique solaire, et comprenant des premier et second réflecteurs (R1, R2), conçus pour respectivement réfléchir : un premier domaine spectral d'un rayonnement solaire (RS) incident vers la première paroi (PI), un second domaine spectral du rayonnement solaire (RS) incident, différent du premier domaine spectral, vers la seconde paroi (P2).

Description

OPTIMISATION OPTIQUE POUR UN REACTEUR PHOTOELECTROCHIMIQUE
Domaine technique
L’invention se rapporte au domaine technique des réacteurs photoélectrochimiques.
L’invention trouve notamment son application dans la dissociation de l’eau (« water spliting» en langue anglaise) pour la production de dihydrogène H2, la production de combustibles (carburants) solaires à partir de l’eau H2O et du dioxyde de carbone CO2.
État de l’art
Une cellule photoélectrochimique connue de l’état de la technique, notamment du document EP 2 737 941 Al, comporte une photoanode et une photocathode, sensibles à un rayonnement solaire. La photoanode comporte une couche photocatalytique réalisée en dioxyde de titane TiO2, tandis que la photocathode comporte une couche photocatalytique réalisée en oxyde de cuivre Cu2O.
Une telle cellule photoélectrochimique de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisante en termes d’efficacité (ou de rendement) dans la mesure où le dioxyde de titane TiO2 absorbe dans les ultraviolets (longueur d’onde inférieure à 400 nm) et que le rayonnement ultraviolet ne représente qu’environ 3% de l’énergie électromagnétique du soleil.
De nombreux travaux de recherche visent à élargir la bande spectrale de réponse de la couche photocatalytique en dioxyde de titane TiO2 de la photoanode, par exemple à l’aide d’un dopage adapté (e.g. azote), par de l’ingénierie de bandes, par la formation d’hétérojonctions, par l’incorporation de nanoparticules métalliques pour une résonance des plasmons de surface, par l’utilisation de co-catalyseurs etc. De telles solutions de l’état de la technique sont généralement encore au stade de la recherche, et complexifient significativement la fabrication de la cellule photoélectrochimique.
Par ailleurs, le rayonnement infrarouge représente majoritairement (environ 45%) l’énergie électromagnétique du soleil, et conduit à un transfert massif de chaleur à la cellule photoélectrochimique qui est susceptible de se dégrader dans le temps.
Exposé de l’invention
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet une installation, comportant :
- un réacteur photoélectrochimique solaire, comprenant : une photoanode et une photocathode, sensibles à un rayonnement solaire ; des première et seconde parois, transparentes au rayonnement solaire, faisant face respectivement à la photoanode et à la photocathode ;
- un système optique, agencé hors du réacteur photoélectrochimique solaire, et comprenant des premier et second réflecteurs, conçus pour respectivement réfléchir : un premier domaine spectral d’un rayonnement solaire incident vers la première paroi, un second domaine spectral du rayonnement solaire incident, différent du premier domaine spectral, vers la seconde paroi.
Ainsi, une telle installation selon l’invention permet de différencier le rayonnement solaire reçu par la photoanode et le rayonnement solaire reçu par la photocathode, grâce à un système optique agencé hors du réacteur photoélectrochimique. En effet, le rayonnement solaire reçu par la photoanode a été filtré spectralement par le premier réflecteur tandis que le rayonnement solaire reçu par la photocathode a été filtré spectralement par le second réflecteur. Ce filtrage spectral différencié pour la photoanode et pour la photocathode permet d’envisager une augmentation de l’efficacité du réacteur photoélectrochimique en ajustant les premier et second domaines spectraux respectivement à la nature de la photoanode et de la photocathode. Ce filtrage spectral différencié permet de s’affranchir des solutions complexes de l’état de la technique pour modifier les matériaux de la photoanode et de la photocathode.
Par ailleurs, ce filtrage spectral différencié permet d’envisager de limiter le rayonnement infrarouge reçu par la photoanode, ce qui permet de réduire significativement le transfert de chaleur dans le réacteur photoélectrochimique, avec une amélioration de sa durée de vie (moindre dégradation des matériaux). En outre, ce filtrage spectral différencié permet d’envisager de limiter le rayonnement ultraviolet reçu par la photocathode, ce qui permet également d’améliorer la durée de vie du réacteur photoélectrochimique (moindre dégradation des matériaux).
L’installation selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon une caractéristique de l’invention, les premier et second réflecteurs sont conçus pour respectivement réfléchir les premier et second domaines spectraux selon respectivement des première et seconde intensités lumineuses différentes.
Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir moduler la puissance des rayonnements reçus par la photoanode et par la photocathode. Cette différenciation des intensités lumineuses permet notamment d’envisager d’augmenter la première intensité lumineuse dans les ultraviolets pour augmenter l’efficacité de la photoanode, et de réduire la seconde intensité lumineuse dans l’infrarouge pour réduire le transfert de chaleur à la photocathode.
Selon une caractéristique de l’invention :
- la photoanode comporte une couche photocatalytique réalisée dans un premier matériau semiconducteur possédant une énergie de bande interdite, notée Egi ;
- le premier réflecteur est conçu pour filtrer tout ou partie des longueurs d’onde, notées Xi, du rayonnement solaire incident vérifiant Àx où « h » est la constante de Planck et « c » est la vitesse de la lumière dans le vide.
Ainsi, un avantage procuré est d’augmenter l’efficacité et la durabilité du réacteur photoélectrochimique en déviant de la photoanode ou en supprimant tout ou partie du spectre solaire dont l’énergie ne permet pas à la photoanode de générer des paires électrons- trous.
Selon une caractéristique de l’invention, le premier matériau semiconducteur est choisi parmi le dioxyde de titane TiO2, le vanadate de bismuth BiVO i, l’oxyde de zinc ZnO, le dioxyde d’étain SnO2 le trioxyde de tungstène WO3, l’oxyde ferrique Fe2O3.
Ainsi, un avantage procuré par ces matériaux de type « n » est dû à leurs propriétés physico-chimiques stables dans le temps pour générer efficacement des paires électrons -trous, les séparer (i.e. éviter leur recombinaison) et les transporter, ainsi que leur qualité d’ adsorption des réactifs.
Selon une caractéristique de l’invention, le second réflecteur est conçu pour filtrer des longueurs d’onde, notées X2, du rayonnement solaire incident vérifiant À2 < 400 nm.
Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir dévier vers la photoanode ou supprimer le rayonnement ultraviolet, trop énergétique pour les stricts besoins de la photo -excitation de la photocathode, et qui conduit à une dégradation du réacteur photoélectrochimique sur le long terme.
Selon une caractéristique de l’invention :
- la photocathode comporte une couche photocatalytique réalisée dans un second matériau semiconducteur possédant une énergie de bande interdite, notée Eg2 ; - le second réflecteur est conçu pour filtrer tout ou partie des longueurs d’onde, notées X2, du rayonnement solaire incident vérifiant À2 > - où « h » est la constante de Planck et « c » est la vitesse de la lumière dans le vide.
Ainsi, un avantage procuré est d’augmenter l’efficacité du réacteur photoélectrochimique en supprimant tout ou partie du spectre solaire dont l’énergie ne permet pas à la photocathode de générer des paires électrons -trous.
Selon une caractéristique de l’invention, le second matériau semiconducteur est choisi parmi l’oxyde de cuivre Cu2O, une pérovskite, une delafossite, un spinelle, le silicium, l’arséniure de bore BAs, le séléniure de tungstène WSe2, le sulfure de zinc ZnS, le phosphure d’indium InP, le phosphure de gallium-indium GaInP2.
Ainsi, un avantage procuré par ces matériaux de type « p » est dû à leurs propriétés physico-chimiques stables dans le temps pour générer efficacement des paires électrons -trous, les séparer (i.e. éviter leur recombinaison) et les transporter, ainsi que leur qualité d’ adsorption des réactifs.
Selon une caractéristique de l’invention, chacun des premier et second réflecteurs comporte au moins un miroir choisi parmi un miroir plan, un miroir parabolique, un miroir cylindro-parabolique.
Selon une caractéristique de l’invention, les premier et second réflecteurs comportent respectivement des premier et second revêtements adaptés pour réfléchir respectivement les premier et second domaines spectraux.
Ainsi, un avantage procuré est la facilité de mise en œuvre pour obtenir les premier et second domaines spectraux souhaités.
Selon une caractéristique de l’invention, l’installation comporte des moyens de déplacement, configurés pour déplacer les premier et second réflecteurs selon le rayonnement solaire incident de sorte que les premier et second réflecteurs réfléchissent respectivement les premier et second domaines spectraux respectivement vers les première et seconde parois.
Ainsi, un avantage procuré est d’optimiser l’intensité des rayonnements réfléchis par les premier et second réflecteurs vers respectivement les première et seconde parois en fonction de la position du soleil. Définitions
— Par « réacteur », on entend une enceinte destinée à recevoir un volume réactionnel.
— Par « photoélectrochimique », on entend l’utilisation de la lumière et de réactions chimiques pour produire de l’électricité.
— Par « photoanode », on entend une électrode sensible à la lumière, et où a lieu une réaction électrochimique d’oxydation.
— Par « photocathode », on entend une électrode sensible à la lumière, et où a lieu une réaction électrochimique de réduction.
— Par « premier (ou second) domaine spectral », on entend une restriction du spectre solaire en termes de longueurs d’onde réfléchies par le réflecteur correspondant.
— Par « couche photocatalytique », on entend une couche pouvant générer au moins une paire électron-trou lorsque la couche est soumise à une photo-excitation (avec une énergie suffisante), et où peut avoir lieu une réaction d’oxydoréduction à la surface de la couche. La couche photocatalytique peut être continue, ou alors discontinue lorsque le photocatalyseur (i.e. le matériau de la couche photocatalytique) est en suspension, c’est-à-dire dispersé en fines particules à l’intérieur du volume réactionnel.
— Par « filtrer », on entend que le réflecteur est conçu pour :
(i) filtrer directement tout ou partie des longueurs d’onde correspondantes par ses caractéristiques intrinsèques, ou
(ii) filtrer indirectement tout ou partie des longueurs d’onde correspondantes en déviant le rayonnement solaire incident vers d’autres surfaces.
— Par « pérovskite », on entend le titanate de calcium CaTiO3, ainsi que tous les composés de formule brute ABO3 possédant la même structure cristalline.
— Par « delafossite », on entend un oxyde de fer et de cuivre CuFeCL, ainsi que tous les composés de formule brute ABO2 possédant la même structure cristalline.
— Par « spinelle », on entend un oxyde de magnésium et d’aluminium MgAl2O4 ainsi que les minéraux de formule brute AB2X4, en particulier CuM2O4, où M=A1, Cr, Mn, Fe, Co.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.
Figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un réacteur photoélectrochimique pouvant équiper une installation selon l’invention, illustrant une application de production d’un combustible (e.g. méthanol CH3OH) à partir d’une réduction de dioxyde de carbone CO2.
Figure 2 est un schéma de bandes d’une cellule photoélectrochimique, dont la photoanode et la photocathode comportent chacune une couche photocatalytique réalisée dans un matériau semi-conducteur.
Figure 3 est une vue schématique de côté d’une installation selon l’invention, illustrant un premier agencement des premier et second réflecteurs du système optique.
Figure 4 est une vue schématique de côté d’une installation selon l’invention, illustrant un deuxième agencement des premier et second réflecteurs du système optique.
Figure 5 est une vue schématique de côté d’une installation selon l’invention, illustrant un mode de réalisation des premier et second réflecteurs du système optique, où chacun des premier et second réflecteurs comporte une pluralité de miroirs.
Il est à noter que les dessins décrits ci-avant sont schématiques, et ne sont pas nécessairement à l’échelle par souci de lisibilité et pour en simplifier leur compréhension.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
Un objet de l’invention est une installation, comportant :
- un réacteur 1 photoélectrochimique solaire, comprenant : une photoanode PA et une photocathode PC, sensibles à un rayonnement solaire RS ; des première et seconde parois Pl, P2, transparentes au rayonnement solaire RS, faisant face respectivement à la photoanode en PA et à la photocathode PC ;
- un système optique, agencé hors du réacteur 1 photoélectrochimique solaire, et comprenant des premier et second réflecteurs RI, R2, conçus pour respectivement réfléchir : un premier domaine spectral d’un rayonnement solaire RS incident vers la première paroi PI, un second domaine spectral du rayonnement solaire RS incident, différent du premier domaine spectral, vers la seconde paroi P2.
Réacteur photoélectrochimique solaire
A titre d’exemples non limitatifs, le réacteur 1 photoélectrochimique solaire peut présenter une section transversale de forme circulaire, carrée, rectangulaire, ou triangulaire. Le réacteur 1 photoélectrochimique solaire est de préférence de type tubulaire. Le réacteur 1 photoélectrochimique solaire comprend des première et seconde parois PI, P2 transparentes au rayonnement solaire RS, et faisant face respectivement à la photoanode PA et à la photocathode PC. Les première et seconde parois Pl, P2 seront appelées « frontales ». Le réacteur 1 photoélectrochimique solaire comporte une enceinte Pl, P2, P destinée à recevoir un volume réactionnel, et pouvant délimiter une chambre anodique et une chambre cathodique. L’enceinte Pl, P2, P comporte les première et seconde parois Pl, P2 frontales, et des parois P longitudinales reliant les première et seconde parois Pl, P2 frontales. Les parois longitudinales P sont de préférence opaques au rayonnement solaire RS. Toutefois, les parois longitudinales P peuvent être en partie transparentes au rayonnement solaire RS. La chambre anodique est destinée à recevoir un premier électrolyte ELI tandis que la chambre cathodique est destinée à recevoir un second électrolyte EL2. La chambre anodique et la chambre cathodique sont séparées par une membrane 3. La membrane 3 est avantageusement une membrane échangeuse d’ions, adaptée pour diffuser certains ions produits par le réacteur 1 photoélectrochimique, par exemple les ions H+. A titre d’exemple non limitatif, la membrane 3 peut être réalisée en nafion®. Le premier électrolyte ELI et le second électrolyte EL2 peuvent être en phase liquide ou en phase gazeuse. A titre d’exemple non limitatif, le premier électrolyte ELI peut être une phase liquide d’eau H2O tandis que le second électrolyte EL2 peut être une phase gazeuse de dioxyde de carbone CO2. Le premier électrolyte ELI peut être identique au second électrolyte EL2, par exemple de l’eau H2O dans le cas de la production de dihydrogène H2.
Le réacteur 1 photoélectrochimique solaire comprend une photoanode PA sensible à un rayonnement solaire RS. La photoanode PA comporte avantageusement une couche photocatalytique 10 réalisée dans un premier matériau SCI semiconducteur possédant une énergie de bande interdite, notée Egi. Le premier matériau semiconducteur SCI est avantageusement de type n, et choisi parmi le dioxyde de titane TiO2, le vanadate de bismuth BiVCh, l’oxyde de zinc ZnO, le dioxyde d’étain SnO2 le trioxyde de tungstène WO3, l’oxyde ferrique Fe2O3. Plus précisément, la photoanode PA peut comporter une électrode E recouverte de la couche photocatalytique 10. A titre d’exemple non limitatif, l’électrode E peut être réalisée dans un matériau électriquement conducteur, tel qu’un matériau métallique (e.g. Ag, Al). La couche photocatalytique 10 peut être discontinue. Autrement dit, la couche photocatalytique 10 de la photoanode PA peut être en suspension, c’est-à-dire dispersée en fines particules à l’intérieur du volume réactionnel, et ce afin d’améliorer le transfert de masse à l’interface entre le premier électrolyte ELI et le premier matériau semi-conducteur SCI.
A titre de variante de la couche photocatalytique 10, la photoanode PA peut comporter une électrode E recouverte d’une couche photovoltaïque, c'est-à-dire une couche pouvant générer au moins une paire électron-trou lorsque la couche est soumise à une photoexcitation. A titre d'exemples non limitatifs, la couche photovoltaïque peut comprendre :
- une cellule photovoltaïque à pérovskite (titanate de calcium CaTiO3) ;
- une cellule photovoltaïque à tellurure de cadmium CdTe ;
- une cellule photovoltaïque de type CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium) ;
- une cellule photovoltaïque de type CZTS (cuivre, zinc, étain, soufre) ;
- une cellule photovoltaïque à base de silicium cristallin, notamment à hétéroj onction silicium amorphe/silicium cristallin ;
- une architecture de type multi-j onction monolithique, telle que des cellules à base de matériaux III-V, des cellules tandem silicium/ pérovskite.
Le réacteur 1 photoélectrochimique solaire comprend une photocathode PC sensible à un rayonnement solaire RS. La photocathode PC comporte avantageusement une couche photocatalytique 20 réalisée dans un second matériau semiconducteur SC2 possédant une énergie de bande interdite, notée Eg2. Le second matériau semiconducteur SC2 est avantageusement de type p, et choisi parmi l’oxyde de cuivre Cu2O, une pérovskite, une delafossite (par exemple à base de cuivre, comme CuFeO2, CUA1O2, CuCrO2, CuRhO2), un spinelle (e.g. CuMAL où M=A1, Cr, Mn, Fe, Co), le silicium, l’arséniure de bore BAs, le séléniure de tungstène WSe2, le sulfure de zinc ZnS, le phosphure d’indium InP, le phosphure de gallium-indium GaInP2. Plus précisément, la photocathode PC peut comporter une électrode E recouverte de la couche photocatalytique 20. A titre d’exemple non limitatif, l’électrode E peut être réalisée dans un matériau électriquement conducteur, tel qu’un matériau métallique (e.g. Ag, Al). La couche photocatalytique 20 peut être discontinue. Autrement dit, la couche photocatalytique 20 de la photocathode PC peut être en suspension, c’est-à-dire dispersée en fines particules à l’intérieur du volume réactionnel, et ce afin d’améliorer le transfert de masse à l’interface entre le second électrolyte EL2 et le second matériau semi-conducteur SC2.
A titre de variante de la couche photocatalytique 20, la photocathode PC peut comporter une électrode E recouverte d’une couche photovoltaïque, c'est-à-dire une couche pouvant générer au moins une paire électron-trou lorsque la couche est soumise à une photoexcitation. A titre d'exemples non limitatifs, la couche photovoltaïque peut comprendre :
- une cellule photovoltaïque à pérovskite (titanate de calcium CaTiC)/ ;
- une cellule photovoltaïque à tellurure de cadmium CdTe ;
- une cellule photovoltaïque de type CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium) ;
- une cellule photovoltaïque de type CZTS (cuivre, zinc, étain, soufre) ; - une cellule photovoltaïque à base de silicium cristallin, notamment à hétéro jonction silicium amorphe/silicium cristallin ;
- une architecture de type multi-j onction monolithique, telle que des cellules à base de matériaux III-V, des cellules tandem silicium/ pérovskite.
La photoanode PA et la photocathode PC sont avantageusement reliées par un circuit externe où circulent des électrons c générés par la photoanode PA. Les photons du rayonnement solaire RS1 réfléchis par le premier réflecteur RI sont absorbés par le premier matériau semi-conducteur SCI, et excitent les électrons de sa bande de valence BV1, pouvant alors générer des paires électron-trou eVh+. Plus précisément, un électron e peut franchir la bande interdite Egi du premier matériau semi-conducteur SCI si les photons du rayonnement solaire RS1 réfléchi par le premier réflecteur RI sont suffisamment énergétiques, puis l’électron e peut alors passer de la bande de valence BV1 à la bande de conduction BC1 du premier matériau semi-conducteur SCI. Un trou h+ (i.e. une absence d’électron ou lacune) est simultanément créé dans la bande de valence BV1. Les trous h+ atteignent la surface de la couche photocatalytique 10 de la photoanode PA où ils peuvent réagir avec le premier électrolyte ELI. Les électrons e passent de la bande de conduction BC1 du premier matériau semi-conducteur SCI à la bande de valence BV2 du second matériau semi-conducteur SC2 via le circuit externe, créant ainsi un photo-courant. Parallèlement, les photons du rayonnement solaire RS2 réfléchis par le second réflecteur R2 sont absorbés par le second matériau semi-conducteur SC2, et excitent les électrons de sa bande de valence BV2, pouvant alors générer des paires électron-trou eVh+. Plus précisément, un électron e peut franchir la bande interdite Eg2 du second matériau semi-conducteur SC2 si les photons du rayonnement solaire RS2 réfléchi par le second réflecteur R2 sont suffisamment énergétiques, puis l’électron e peut alors passer de la bande de valence BV2 à la bande de conduction BC2 du second matériau semi-conducteur SC2. Les électrons e de la bande de conduction BC2 du second matériau semi-conducteur SC2 atteignent la surface de la couche photocatalytique 20 de la photocathode PC où ils peuvent réagir avec le second électrolyte EL2.
Système optique
Le système optique est agencé hors du réacteur 1 photoélectrochimique solaire. En d’autres termes, le système optique est situé à l’extérieur du réacteur 1 photoélectrochimique solaire.
Le système optique comprend un premier réflecteur RI conçu pour réfléchir un premier domaine spectral d’un rayonnement solaire RS incident vers la première paroi PL Le premier domaine spectral est restrictif par rapport à la totalité du spectre solaire. Le premier réflecteur RI est avantageusement agencé pour réfléchir le premier domaine spectral du rayonnement solaire RS incident de sorte que le rayonnement solaire réfléchi RS1 par le premier réflecteur RI s’étend suivant une direction parallèle à la normale à la surface de la première paroi PI du réacteur 1 photoélectrochimique. Un tel agencement du premier réflecteur RI permet de maximiser l’intensité du rayonnement RS1 reçu par la photoanode PA, et ce en vue d’augmenter le rendement du réacteur 1 photoélectrochimique.
Le système optique comprend un second réflecteur R2 conçu pour réfléchir un second domaine spectral d’un rayonnement solaire RS incident vers la seconde paroi P2. Le second domaine spectral est différent du premier domaine spectral. Le second domaine spectral est restrictif par rapport à la totalité du spectre solaire. Le second réflecteur R2 est avantageusement agencé pour réfléchir le second domaine spectral du rayonnement solaire RS incident de sorte que le rayonnement solaire réfléchi RS2 par le second réflecteur R2 s’étend suivant une direction parallèle à la normale à la surface de la seconde paroi P2 du réacteur 1 photoélectrochimique. Un tel agencement du second réflecteur R2 permet de maximiser l’intensité du rayonnement RS2 reçu par la photocathode PC, et ce en vue d’augmenter le rendement du réacteur 1 photoélectrochimique.
Les premier et second réflecteurs RI, R2 sont avantageusement conçus pour respectivement réfléchir les premier et second domaines spectraux selon respectivement des première et seconde intensités lumineuses différentes. A titre d'exemples non limitatifs, les premier et second réflecteurs RI, R2 peuvent comporter :
- des miroirs de Fresnel présentant des matrices de lentilles (dites lentilles linéaires de Fresnel) pouvant être focalisées ou défocalisées de manière à moduler l’intensité lumineuse réfléchie pour une incidence donnée du rayonnement solaire RS ;
- des héliostats pouvant être focalisés ou défocalisés de manière à moduler l’intensité lumineuse réfléchie pour une incidence donnée du rayonnement solaire RS.
Lorsque la photoanode PA comporte une couche photocatalytique 10 réalisée dans un premier matériau semiconducteur SCI possédant une énergie de bande interdite, notée Egi, alors le premier réflecteur RI est avantageusement conçu pour filtrer tout ou partie des longueurs d’onde, notées Xi, du rayonnement solaire RS incident vérifiant Àx > - où « h » est la constante de Planck et « c » est la vitesse de la lumière dans le vide. Le premier réflecteur RI agit alors comme un filtre passe-haut pour l’énergie des photons réfléchis par le premier réflecteur RI (filtre passe-bas vis-à-vis des longueurs d’onde).
Le second réflecteur R2 est avantageusement conçu pour filtrer des longueurs d’onde, notées 2, du rayonnement solaire RS incident vérifiant À2 < 400 nm. Le second réflecteur R2 agit alors comme un filtre passe-bas pour l’énergie des photons réfléchis par le second réflecteur R2 (filtre passe-haut vis-à-vis des longueurs d’onde).
Lorsque la photocathode PC comporte une couche photocatalytique 20 réalisée dans un second matériau semiconducteur SC2 possédant une énergie de bande interdite, notée Eg2, alors le second réflecteur R2 est avantageusement conçu pour filtrer tout ou partie des longueurs d’onde, notées X2, du rayonnement solaire RS incident vérifiant À2 > - où « h » est la constante de Planck et « c » est la vitesse de la lumière dans le vide. Le second réflecteur R2 agit alors comme un filtre passe-haut pour l’énergie des photons réfléchis par le second réflecteur R2 (filtre passe-bas vis-à-vis des longueurs d’onde).
De manière avantageuse, le second réflecteur R2 est conçu pour réfléchir (filtre passe- bande) les longueurs d’onde du rayonnement solaire RS incident vérifiant : hc
400 nm < À2 < — — Eg2
En pratique, l’énergie de bande interdite Eg2 du second matériau semi-conducteur SC2 est inférieure à l’énergie de bande interdite Egi du premier matériau semi-conducteur SCI, de hc _ sorte que — > 400 nm.
4 Eg2
Chacun des premier et second réflecteurs RI, R2 comporte avantageusement au moins un miroir Ml, M2 choisi parmi un miroir plan, un miroir parabolique, un miroir cylindro- parabolique.
De manière avantageuse, les premier et second réflecteurs RI, R2 comportent respectivement des premier et second revêtements adaptés pour réfléchir respectivement les premier et second domaines spectraux. A titre d’exemple non limitatif, il est possible d’utiliser :
— des miroirs ultraviolets (dits « froids ») qui filtrent l’énergie visible et l’énergie infrarouge par transmission au réflecteur (e.g. en verre de quartz — silice fondue) ou par absorption par le réflecteur (e.g. aluminium) ;
— des miroirs visibles /infrarouges (dits « froids ») qui filtrent l’énergie des ultraviolets par transmission au réflecteur ou par absorption par le réflecteur.
De tels miroirs froids sont par exemple commercialisés par les sociétés THORLABS, NTFL de Newportlab, KANEKA etc.
A titre d’exemple non limitatif, le premier domaine spectral est situé dans les ultraviolets tandis que le second domaine spectral est situé dans l’infrarouge ou dans le visible.
L’installation comporte avantageusement des moyens de déplacement, configurés pour déplacer les premier et second réflecteurs RI, R2 selon le rayonnement solaire RS incident de sorte que les premier et second réflecteurs RI, R2 réfléchissent respectivement les premier et second domaines spectraux respectivement vers les première et seconde parois Pl, P2. Les moyens de déplacement comportent avantageusement un suiveur solaire T, configuré pour s’orienter selon la position du soleil dans le ciel.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation, comportant :
- un réacteur (1) photoélectrochimique solaire, comprenant : une photoanode (PA) et une photocathode (PC), sensibles à un rayonnement solaire (RS) ; des première et seconde parois (Pl, P2), transparentes au rayonnement solaire (RS), faisant face respectivement à la photoanode (PA) et à la photocathode (PC) ;
- un système optique, agencé hors du réacteur (1) photoélectrochimique solaire, et comprenant des premier et second réflecteurs (RI, R2), conçus pour respectivement réfléchir : un premier domaine spectral d’un rayonnement solaire (RS) incident vers la première paroi (PI), un second domaine spectral du rayonnement solaire (RS) incident, différent du premier domaine spectral, vers la seconde paroi (P2).
2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle les premier et second réflecteurs (RI, R2) sont conçus pour respectivement réfléchir les premier et second domaines spectraux selon respectivement des première et seconde intensités lumineuses différentes.
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle :
- la photoanode (PA) comporte une couche photocatalytique (10) réalisée dans un premier matériau semiconducteur (SCI) possédant une énergie de bande interdite, notée Egi ;
- le premier réflecteur (RI) est conçu pour filtrer tout ou partie des longueurs d’onde, notées Xi, du rayonnement solaire (RS) incident vérifiant Àx > - , où « h » est la constante de
E3i
Planck et « c » est la vitesse de la lumière dans le vide.
4. Installation selon la revendication 3, dans laquelle le premier matériau semiconducteur (SCI) est choisi parmi le dioxyde de titane TiO2, le vanadate de bismuth BiVO4, l’oxyde de zinc ZnO, le dioxyde d’étain SnO2, le trioxyde de tungstène WO3, l’oxyde ferrique Fe2C>3.
5. Installation selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le second réflecteur (R2) est conçu pour filtrer des longueurs d’onde, notées X2, du rayonnement solaire (RS) incident vérifiant À2 < 400 nm.
6. Installation selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle :
- la photocathode (PC) comporte une couche photocatalytique (20) réalisée dans un second matériau semiconducteur (SC2) possédant une énergie de bande interdite, notée Eg2 ;
- le second réflecteur (R2) est conçu pour filtrer tout ou partie des longueurs d’onde, notées X2, du rayonnement solaire (RS) incident vérifiant À2 > - , où « h » est la constante de
E32
Planck et « c » est la vitesse de la lumière dans le vide.
7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle le second matériau semiconducteur (SC2) est choisi parmi l’oxyde de cuivre Cu2O, une pérovskite, une delafossite, un spinelle, le silicium, l’arséniure de bore BAs, le séléniure de tungstène WSe2, le sulfure de zinc ZnS, le phosphure d’indium InP, le phosphure de gallium-indium GaInP2.
8. Installation selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel chacun des premier et second réflecteurs (RI, R2) comporte au moins un miroir (Ml, M2) choisi parmi un miroir plan, un miroir parabolique, un miroir cylindro-parabolique.
9. Installation selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle les premier et second réflecteurs (RI, R2) comportent respectivement des premier et second revêtements adaptés pour réfléchir respectivement les premier et second domaines spectraux.
10. Installation selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle :
- le premier domaine spectral est situé dans les ultraviolets ;
- le second domaine spectral est situé dans l’infrarouge ou dans le visible.
11. Installation selon l’une des revendications 1 à 10, comportant des moyens de déplacement, configurés pour déplacer les premier et second réflecteurs (RI, R2) selon le rayonnement solaire (RS) incident de sorte que les premier et second réflecteurs (RI, R2) réfléchissent respectivement les premier et second domaines spectraux respectivement vers les première et seconde parois (Pl, P2).
EP24700963.2A 2023-01-20 2024-01-15 Optimisation optique pour un reacteur photoelectrochimique Pending EP4652308A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2300566A FR3145168B1 (fr) 2023-01-20 2023-01-20 Optimisation optique pour un réacteur photoélectrochimique
PCT/EP2024/050783 WO2024153582A1 (fr) 2023-01-20 2024-01-15 Optimisation optique pour un reacteur photoelectrochimique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4652308A1 true EP4652308A1 (fr) 2025-11-26

Family

ID=86271818

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24700963.2A Pending EP4652308A1 (fr) 2023-01-20 2024-01-15 Optimisation optique pour un reacteur photoelectrochimique

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4652308A1 (fr)
FR (1) FR3145168B1 (fr)
WO (1) WO2024153582A1 (fr)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140068671A (ko) 2012-11-28 2014-06-09 삼성전자주식회사 광전기화학 전지
CA2923897C (fr) * 2015-03-16 2023-08-29 Zetian Mi Photocathodes et photoelectrodes doubles destinees aux dispositifs photoniques nanofilaires
CN109289727A (zh) * 2018-08-20 2019-02-01 昆明理工大学 一种分离式光谱分光太阳能光催化反应系统

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024153582A1 (fr) 2024-07-25
FR3145168A1 (fr) 2024-07-26
FR3145168B1 (fr) 2025-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8563850B2 (en) Tandem photovoltaic cell and method using three glass substrate configuration
US20120204939A1 (en) Structure and Method for High Efficiency CIS/CIGS-based Tandem Photovoltaic Module
US20040251508A1 (en) Sensitizing dye solar cell
US20110168245A1 (en) Four Terminal Multi-Junction Thin Film Photovoltaic Device and Method
US20080135083A1 (en) Cascade solar cell with amorphous silicon-based solar cell
GB2299448A (en) Thermovoltaic in-situ mirror cell
Enrichi et al. Solar cells and light management: Materials, strategies and sustainability
CH686206A5 (it) Cellule photoelectrochimique regeneratrice transparente.
EP2172981A2 (fr) Cellule photovoltaïque a hétérojonction à deux dopages et procédé de fabrication.
Mollica Optimization of ultra-thin Cu (In, Ga) Se2 based solar cells with alternative back-contacts
WO2011119727A1 (fr) Revêtement antireflet pour photopiles multijonctions
EP2577737B1 (fr) Composant photovoltaïque pour application sous flux solaire concentré
EP1369932A2 (fr) Composant photovoltaique empilé
WO2024153582A1 (fr) Optimisation optique pour un reacteur photoelectrochimique
US20120285508A1 (en) Four terminal multi-junction thin film photovoltaic device and method
JP2005310821A (ja) 光電変換素子
Sivec et al. Advances in light trapping for hydrogenated nanocrystalline silicon solar cells
CN104638038A (zh) 一种碲化镉薄膜太阳能电池的电子反射层及制造方法
EP3000136B1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un système photovoltaïque à concentration de lumière
EP4106012B1 (fr) Revêtement anti-éblouissement de nanostructure d&#39;oxyde à large bande interdite et son utilisation
US8878050B2 (en) Composite photovoltaic device with parabolic collector and different solar cells
US11908963B2 (en) Photovoltaic device with band-stop filter
TW202533726A (zh) 超薄透射鎘合金太陽能電池
Irvine Photovoltaic (PV) thin-films for solar cells
Afrad et al. Study of the Efficiency of Different Types of Solar Cells

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250709

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)